專利名稱：肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是通過對肌肉力動作模型的建 立，解決網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中操作者的操作延遲問題。
背景技術(shù)：
目前，基于雙向力反饋的網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)中，關(guān)于操作者作用力模型 一般都是假設(shè)已知的，肌肉驅(qū)動的動力學(xué)模型還沒有，這影響了網(wǎng)絡(luò)遙操 作系統(tǒng)建模和分析的成果在實(shí)際中的應(yīng)用。由于操作者的作用力是由肌肉 產(chǎn)生的，因此在肌肉力驅(qū)動層面上對人體肌肉控制模型的動力學(xué)進(jìn)行研 究，有利于遙操作機(jī)器人采樣控制系統(tǒng)的建模和分析。另一方面，由于肌 肉驅(qū)動動力學(xué)系統(tǒng)的非線性、時變性、自適應(yīng)性和滯后性，其動態(tài)響應(yīng)延 遲時間長、震蕩大、調(diào)整時間長，這無形中增大了操作者的操作延遲。操 作者本身是一個非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，其動力學(xué)操作行為具有很強(qiáng)的非線 性、時變性、自適應(yīng)性和滯后性等特性，因此采用數(shù)學(xué)模型來精確地描述 操作者的動力學(xué)模型是非常困難的。研究肌肉力驅(qū)動手臂操縱游戲桿的動 力學(xué)問題，對肌肉力驅(qū)動手臂操縱游戲桿的動作過程建立動態(tài)模型，通過 對肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的逆補(bǔ)償器的設(shè)計，對于減少操作者的操作延遲，提高網(wǎng) 絡(luò)遙操作機(jī)器人的實(shí)時控制在遙操作領(lǐng)域中具有重大的意義和實(shí)用價值。 但目前沒有這方面的報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種減少遙操作機(jī)器人系統(tǒng)操作延遲的新方法。 通過在肌肉力上對人體肌肉控制模型的動力學(xué)研究基礎(chǔ)之上，對人體操作 游戲桿進(jìn)行建模。
本發(fā)明技術(shù)方案為
肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用， 一種基于肌肉力 驅(qū)動的手臂-游戲桿系統(tǒng)的動力學(xué)模型的建立方法，首先在Hill的結(jié)構(gòu)模 型基礎(chǔ)上，針對操作者保持緊張程度不變情況，建立肌肉動力學(xué)模型；然 后建立了肌肉力驅(qū)動的操作者手臂一游戲桿動力學(xué)模型；最后給出了肌肉 驅(qū)動系統(tǒng)的補(bǔ)償原理。
所述的肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用，所述的人 體肌肉動力學(xué)模型是根據(jù)Hill模型建立的肌肉一負(fù)載的動態(tài)特性方程，在 其上疊加上人體手臂動力模型和游戲桿動力學(xué)模型，最終得到針對手臂操 作游戲桿的肌肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿模型。
所述肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用，肌肉力驅(qū)動 系統(tǒng)動力學(xué)模型，將其應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)遙操作中，根據(jù)逆補(bǔ)償原理對肌肉力驅(qū) 動系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償器，從而減小了遙操作機(jī)器人中操作者的操作 時延。
所述肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用，對人體骨骼 肌肌肉力學(xué)模型中不可測量，即"肌肉激活度"通過實(shí)驗(yàn)得出在操作者保持 緊張程度不變情況下"肌肉激活度"與肌肉收縮長度和速度成正比這一結(jié) 論，在此基礎(chǔ)上，針對手臂的動力學(xué)特性、游戲桿的動力學(xué)特性，建立肌 肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿系統(tǒng)動力學(xué)模型。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明可以在已知操作者身高、體重的情況下，建立手臂動力學(xué)模型， 并進(jìn)而得到肌肉控制模型。本發(fā)明推導(dǎo)出肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的補(bǔ)償原理。這種 在肌肉力驅(qū)動層面上對人體肌肉控制模型的動力學(xué)研究對促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)遙操 作技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。


圖l為本發(fā)明肌肉動特性結(jié)構(gòu)； 圖2為Hill肌肉模型；
圖3為本發(fā)明肌肉力與肌肉長度、速度關(guān)系屬性； 圖4為本發(fā)明肌肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿結(jié)構(gòu)； 圖5為本發(fā)明肌肉驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理； 圖6為本發(fā)明肌肉驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
如圖l所示，激活動態(tài)特性對應(yīng)于神經(jīng)興奮到肌肉激活度之間的傳輸 過程，把神經(jīng)元輸入信號u(t)轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪饧せ疃萢(t)。肌肉激活度a(t)和神 經(jīng)元輸入信號u(t)的動態(tài)特性關(guān)系
<formula>formula see original document page 5</formula>其中r------肌肉激活度的時間常數(shù)。
如圖2所示，收縮動態(tài)特性利用Hill肌肉模型來表示。它包括三個組 成部分收縮元、并聯(lián)彈性元和串聯(lián)彈性元。并聯(lián)彈性元和串聯(lián)彈性元代 表包括肌腱和非活性的肌肉纖維在內(nèi)的柔性連接組織，而收縮元表示了肌肉中的肌纖維的收縮產(chǎn)生的力的特性，因此肌肉的力可用收縮元的力表 示，其力學(xué)方程模型可以表示為
郵/"咖a(0 (2)
其中^o為規(guī)一化肌肉力，/、,為規(guī)一化肌肉力一速度關(guān)系函數(shù)，/,
為規(guī)一化力一長度關(guān)系函數(shù)。設(shè)肌肉的最大收縮力為^_、松弛長度為
、最大速度為v^，肌肉當(dāng)前時刻的力為F(O 、長度為/ 、速度為v ，則有
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圖3肌肉力一速度屬性和肌肉力一長度屬性圖。 通過實(shí)驗(yàn)測量肌肉收縮長度/、)與"肌肉激活度a(t)"的關(guān)系近似為一 階慣性環(huán)節(jié)。即
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圖4肌肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿結(jié)構(gòu)圖。其中，i^)為操作者肌肉作
用力，F(xiàn)J)為反映遠(yuǎn)端機(jī)器人與環(huán)境的相互作用關(guān)系的虛擬力，fh(t)為操
縱桿產(chǎn)生的速度命令。 前臂的動力學(xué)方程為-
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游戲桿的動力學(xué)模型
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其中A和^分別表示操縱桿的阻尼系數(shù)和彈簧彈性系數(shù)，X(t)-[;c，yf表示 操縱桿距離中心點(diǎn)偏移量。根據(jù)式(1) (6)可推導(dǎo)出肌肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿模型為
G2 (s) J—r [HF(s) - TW] - G2 (s)Fm (s) = fA (s) (7)
圖5為肌肉驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。
圖6為了補(bǔ)償肌肉延遲帶來的操作者的操作延遲，設(shè)計補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)如 圖6中虛線框所示，其中Y(。為肌肉驅(qū)動系統(tǒng)補(bǔ)償后的輸出，有
Y(s) = (I + K MCs))一K. M(". R(s)
(8)
當(dāng)K —cc時，YW = R("，即肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的輸出不受肌肉延遲的影響， 實(shí)現(xiàn)了"想到，，立即"做到"。
本發(fā)明在肌肉力驅(qū)動層面上對人體肌肉控制模型的動力學(xué)分析的基 礎(chǔ)上提出一種方法，提高了網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)建模的分析的成果在實(shí)際應(yīng)用 中的利用率。本發(fā)明最大優(yōu)點(diǎn)在于把在遙操作中的操作者這個龐大而又復(fù) 雜的系統(tǒng)，針對肌肉力驅(qū)動手臂操作游戲桿的動作建立了動態(tài)模型。本發(fā) 明為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展開辟了新的技術(shù)途徑。
權(quán)利要求
1. 肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用，一種基于肌肉力驅(qū)動的手臂-游戲桿系統(tǒng)的動力學(xué)模型的建立方法，其特征在于首先在Hill的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，針對操作者保持緊張程度不變情況，建立肌肉動力學(xué)模型；然后建立了肌肉力驅(qū)動的操作者手臂—游戲桿動力學(xué)模型；最后給出了肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的補(bǔ)償原理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作 中的應(yīng)用，其特征在于，所述的人體肌肉動力學(xué)模型是根據(jù)Hill模型建立 的肌肉一負(fù)載的動態(tài)特性方程，在其上疊加上人體手臂動力模型和游戲桿動力學(xué)模型，最終得到針對手臂操作游戲桿的肌肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿 模型。
3. 按照權(quán)利要求l所述肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的 應(yīng)用，其特征在于肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型，將其應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)遙操作 中，根據(jù)逆補(bǔ)償原理對肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償器，從而減小 了遙操作機(jī)器人中操作者的操作時延。
4. 按照權(quán)利要求l所述肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的 應(yīng)用，其特征在于對人體骨骼肌肌肉力學(xué)模型中不可測量，即"肌肉激活度"通過實(shí)驗(yàn)得出在操作者保持緊張程度不變情況下"肌肉激活度"與肌肉 收縮長度和速度成正比這一結(jié)論，在此基礎(chǔ)上，針對手臂的動力學(xué)特性、 游戲桿的動力學(xué)特性，建立肌肉力驅(qū)動的手臂一游戲桿系統(tǒng)動力學(xué)模型。
全文摘要
肌肉力驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)遙操作中的應(yīng)用，涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，一種基于肌肉力驅(qū)動的手臂—游戲桿系統(tǒng)的動力學(xué)模型的建立方法，首先在Hill的結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，針對操作者保持緊張程度不變情況，建立肌肉動力學(xué)模型；然后建立了肌肉力驅(qū)動的操作者手臂—游戲桿動力學(xué)模型；最后給出了肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的補(bǔ)償原理。本發(fā)明可以在已知操作者身高、體重的情況下，建立手臂動力學(xué)模型，并進(jìn)而得到肌肉控制模型。本發(fā)明推導(dǎo)出肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的補(bǔ)償原理。這種在肌肉力驅(qū)動層面上對人體肌肉控制模型的動力學(xué)研究對促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)遙操作技術(shù)發(fā)展具有意義。
文檔編號G06F17/50GK101504677SQ200910010149
公開日2009年8月12日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者穎 劉, 歐陽淑麗, 符秀輝, 鑫 賈, 冰 韓 申請人:沈陽化工學(xué)院